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優秀賞「JIP賞」
『高圧下におけるグラファイトから
ダイヤモンドへの構造相転移』
●草部浩一（くさかべ・こういち）
●館山佳尚（たてやま・よしたか）
●荻津 格（おぎつ・ただし）
●常行真司（つねゆき・しんじ）
グラファイト(a)の圧力誘起構造相転移。
中間状態(b)において現れた層間の結合が成長して
六方晶ダイヤモンド(c)へと移り変わる。
超高圧を利用した人工ダイヤモンドの合成に見られるような，極限状態を利用した
合成・加工技術は，新しいデバイス開発の手法として期待されている。しかし未知構
造の予言や解析には，こうした極限状態での物質の原子レベルでの振舞いを“その場
観測”することが望ましい。いま，その有力な手法として，スーパーコンピュータを
用いた計算機シミュレーション，特に，ミクロスコピックな物理現象を高い精度で再
現しうる第一原理分子動力学法が注目されている。ここでは，炭素の高圧下における
相転移現象を例にとってその威力を紹介しよう。
第一原理分子動力学法
原子間力を仮定する従来型の分子動力学法では，金属絶縁体転移のような電子状態
変化に対応できないなど，汎用性，信頼性において問題を残していた。それに対して，
密度汎関数理論に基づいた電子系のエネルギー計算により，原子配置の変化に応じて
電子状態を逐次決定してしまう第一原理分子動力学法は，原理的にはどのような物質
（元素，化合物），電子状態（金属，非金属）でも扱うことができる。実際の計算で
は局所密度近似を用いるが，エネルギー最低状態を共役勾配法によって高速に計算す
ることでpico second（10−12秒）におよぶ計算が可能になってきた。我々はさらに
結晶の変形にも対応するため，各時刻における原子間力のみならず内部応力の計算も
行う，圧力・温度一定の第一原理分子動力学プログラムを開発した。こうしてまさに
“第一原理”から任意の温度・圧力下における物質の状態を計算機中に再現し，原子
レベルの分解能で“直接観側”することを可能にしたのである。
炭素の構造相転移シミュレーション
純粋なグラファイトを室温で圧縮すると，天然ダイヤモンド（立方晶構造）と異な
る六方晶ダイヤモンドヘの構造相転移が起こることが，東京大学の八木らによる最近
の実験で確認された。ごく最近，イタリアのスカンドロ（S. Scandolo et al. ）らのグ
ループは，第一原理分子動力学法による炭素の圧力誘起構造相転移シミュレーション
を行ったが，我々は彼らとは独立に，実験的に示された炭素の構造相転移の再現を試
みた。さらに，原子配置や電荷分布の可視化により，相転移途中での原子間の結合状
態の変化を迫跡した。
シミュレーションは，東京大学物性研究所のベクトル並列計算機（富士通VPP500／
40，最大演算性能64GFLOPS，主記憶13GByte）を用いて実行し，単位胞の構造・
原子配置および電荷分布を得た。これをAVSを用いて画像化し，アニメーションの作
成を行った。我々のシミュレーション画像においては，白い球は炭素原子を，透明度
が異なる2つの黄色い曲面はそれぞれが電荷密度の等値面を表している。はじめに，
有限温度（摂氏約200度）で無加圧のグラファイトでは，格子振動に伴った平面内で
の電荷分布の変動が見られる。加圧に伴って層間距離が縮まり，やがて水平方向に平
坦であったグラファイト層間に新たなボンドが形成されていく。その結果，炭素原子
間の結合が，平面的なsp 2結合から立体的sp 3結合へと移り変わり，六方晶ダイヤモ
ンドが生成される。これはまさに，ダイヤモンドの高圧合成実験を計算機の中に再現
したといえるであろう。